自动开封盖装置快速变型设计中的尺寸约束处理方法与结构优化技术研究

摘要

快速变型设计可以提高产品的设计效率和设计质量，缩短研发周期，使产品快速投放市场以提升企业效益和实力，快速变型设计技术已被广泛应用于各行业之中。本文以自动开封盖装置为研究对象，对快速变型设计中的尺寸约束处理方法、拓扑优化和尺寸优化技术进行了较为深入系统的研究。
　　尺寸约束处理是实现快速变型设计的关键。传统的尺寸约束处理方法仅凭设计经验去除冗余的尺寸约束，不能优化尺寸约束传递过程。本文在划分产品功能模块，制定零件尺寸约束等级与策略的基础上，利用介数中心性方法衡量复杂网络节点重要性的能力，建立了尺寸介数中心性模型；通过建立尺寸复杂度分析模型，划分了尺寸约束关系模块；依据零件的尺寸约束等级和装配关系，确定了尺寸约束传递方向，建立了尺寸约束处理流程。针对Pro/E，提出了多级零部件尺寸约束传递方法，配合Pro/E二次开发程序，实现了自动开封盖装置的快速变型设计。
　　拓扑优化是保证快速变型设计对象获得理想结构形式的关键技术。本文基于实例，分析了渐进结构优化（ESO）方法在删除单元和数值误差处理方面的不足，对能同时实现单元增删的双向渐进结构优化（BESO）方法进行了改进。通过将单元质心过滤半径范围内的节点灵敏度加权为单元灵敏度，实现了基于应变能准则的单元灵敏度均匀化处理；定义了单元增删准则、约束条件和收敛准则，建立了改进的BESO方法流程。通过实例对比，证明了改进的BESO方法的优越性，实现了自动开封盖装置旋转平台的拓扑优化，重构了旋转平台的三维模型。
　　尺寸优化是对快速变型设计结果的改进。本文通过静力学分析和模态分析，提取了静态工况下旋转平台的最大变形量和固有频率；采用一阶优化方法，实现了旋转平台刚度和频率的单目标尺寸优化。采用线性加权叠加方法，建立了多目标尺寸优化模型；采用容限法，确定了子目标权重系数；通过APDL编程，实现了刚度和频率的多目标尺寸优化。基于Pro/E与ANSYS的二次开发技术，将尺寸优化技术集成到快速变型设计系统中，在自动开封盖装置快速变型设计过程中实现了旋转平台的多目标尺寸优化，在提高产品设计效率的同时保证了产品质量。

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第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2变型设计的研究现状

1.3尺寸约束处理方法的研究现状

1.4结构优化技术的研究现状

1.5本文主要研究内容

1.6本章小结

第二章 快速变型设计的基础理论与技术

2.1尺寸约束关系处理的基础理论

2.2结构优化技术的基础理论

2.3 Pro/E与ANSYS的二次开发技术

2.4本章小结

第三章 变型设计中的尺寸约束处理方法

3.1引言

3.2尺寸约束处理的预备工作

3.3尺寸约束网络的介数中心性

3.4基于尺寸介数中心性的尺寸复杂度分析

3.5尺寸约束处理方法的实现

3.6变型设计中的尺寸约束处理方法应用实例

3.7本章小结

第四章 渐进结构拓扑优化技术研究

4.1引言

4.2渐进结构拓扑优化方法

4.3改进的双向渐进结构拓扑优化方法

4.4 BESO方法在自动开封盖装置中的应用

4.5本章小结

第五章 变型设计中的多目标尺寸优化技术应用与集成

5.1引言

5.2旋转平台的静力分析和模态分析

5.3旋转平台的单目标尺寸优化

5.4旋转平台的多目标尺寸优化

5.5快速变型设计中的多目标尺寸优化技术集成

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文的总结

6.2论文的展望

致谢

参考文献